Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật then chốt thúc đẩy quá trình tự động hóa và công nghiệp hóa. Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp, việc ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn mang lại ưu thế vượt trội về hiệu suất năng lượng, kích thước nhỏ gọn và khả năng điều khiển linh hoạt so với các hệ thống truyền thống như khuếch đại từ hoặc hệ máy phát - động cơ (F-Đ). Trước yêu cầu thực tiễn về việc làm chủ kỹ thuật điều khiển công suất bán dẫn, đề tài "Tính toán và thiết kế mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn" được thực hiện trong khuôn khổ môn học Điện tử công suất tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
  2. Khảo sát cấu tạo, nguyên lý vận hành và tích hợp vi mạch điều khiển chuyên dụng TCA 785 cùng phần tử cách ly quang MOC3020.
  3. Tính toán các thông số kỹ thuật của mạch lực (chọn van Thyristor, cuộn kháng lọc, biến áp nguồn, giải pháp tản nhiệt) và mạch điều khiển (khối nguồn ổn áp 15V sử dụng IC 7815, mạch phát xung răng cưa và đồng pha).
  4. Thiết kế mạch in (PCB), lắp ráp phần cứng thực tế và tiến hành đo kiểm dạng sóng tín hiệu trên máy hiện sóng ở các dải góc mở khác nhau ($\alpha$ từ $30^\circ$ đến $180^\circ$).

Đối tượng nghiên cứu là bộ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng 4 van Thyristor (SCR BT151) điều khiển góc mở theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính, phối hợp tải động cơ điện một chiều và tải điện trở - điện cảm (R-L). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn điện lưới xoay chiều 220V/50Hz hạ áp qua máy biến áp xuống 15VAC, phục vụ tải định mức $U_{đm} = 220\text{V}$, $I_d = 1\text{A}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết mạch chỉnh lưu điều khiển, lý thuyết truyền động điện và kỹ thuật vi điện tử bán dẫn:

  • Lý thuyết chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn: Sử dụng sơ đồ 4 van Thyristor chia thành hai nhóm làm việc luân phiên ở hai nửa chu kỳ ($T_1-T_4$ và $T_2-T_3$). Khi cung cấp cho tải cảm ($L_d = \infty$), dòng điện qua tải là liên tục, sức điện động tự cảm duy trì van dẫn ngay cả khi điện áp nguồn đổi dấu sang bán kỳ âm cho đến khi cặp van kế tiếp nhận xung kích mở.
  • Lý thuyết động cơ điện một chiều: Cấu tạo gồm Stator, Rotor, chổi than và cổ góp. Phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập được biểu diễn qua: $$\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_p}{(K\Phi)^2} M$$ Tác giả hệ thống hóa ba phương pháp điều chỉnh tốc độ: thay đổi điện áp phần ứng ($U_ư$), điều chỉnh giảm từ thông kích từ ($\Phi$), và thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ($R_p$); đồng thời phân tích các chỉ tiêu chất lượng như phạm vi điều chỉnh $D = n_{max}/n_{min}$, độ cứng đặc tính cơ $\beta = \Delta M / \Delta n$, và độ liên tục $\gamma = n_i / n_{i+1}$.
  • Lý thuyết điều khiển pha bán dẫn: Phân tích nguyên tắc điều khiển thẳng đứng across (dịch pha $90^\circ$) và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính (so sánh điện áp răng cưa $U_{RC}$ với điện áp điều khiển một chiều $U_{đk}$). Đồ án chọn nguyên tắc tuyến tính do khả năng cấp xung chính xác, dải điều khiển rộng từ $\alpha = 0$ đến $\alpha = \pi$ khi $U_{đk}$ biến thiên từ $0$ đến $U_{RCmax}$.
  • Vi mạch tích hợp: Ứng dụng IC TCA 785 của hãng Siemens tích hợp 4 chức năng: nhận biết điểm không và đồng bộ hóa, tạo điện áp răng cưa tuyến tính, so sánh mức điện áp điều khiển và tạo chuỗi xung kép lệch pha $180^\circ$ tại chân 14, 15 với dòng điều khiển danh định 250mA.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích mạch điện - nhiệt động học bán dẫn, mô hình hóa sơ đồ nguyên lý mạch in, và phương pháp thực nghiệm đo đạc tín hiệu vật lý trực tiếp trên mô hình chế tạo.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối hoàn chỉnh gồm 4 module chức năng chính:

Module Chức năng chính Linh kiện then chốt
Khối nguồn nuôi Hạ áp từ 220VAC xuống 15VAC, chỉnh lưu cầu, lọc phẳng điện áp và ổn định điện áp cấp cho vi mạch điều khiển. Biến áp 220VAC/15VAC, cầu Diode, IC ổn áp 7815, tụ lọc $C_1 = 1000\mu\text{F}/35\text{V}$, tụ lọc nhiễu cao tần.
Khối điều khiển Đồng pha lưới điện, tạo sóng răng cưa, so sánh điện áp điều khiển để định thời điểm phát xung kích. IC chuyên dụng TCA 785, tụ $C_{10}$ tạo răng cưa, điện trở $R_9$, tụ độ rộng xung $C_{12}$.
Khối cách ly & lái Cách ly quang học giữa mạch điều khiển điện áp thấp và mạch lực điện áp cao, ngăn xung điện áp ngược bảo vệ IC. Optocoupler MOC3020 tích hợp Triac phát hiện điểm không.
Khối mạch lực Thực hiện biến đổi AC sang DC cấp nguồn cho tải điện cảm/động cơ một chiều theo góc kích $\alpha$. 4 Thyristor (SCR BT151), cánh tản nhiệt nhôm, cuộn kháng lọc san phẳng $L_D$.

Quá trình tính toán thông số kỹ thuật được xác lập cụ thể:

  • Tính chọn van động lực: Với dòng tải làm việc chọn hệ số dòng dự trữ $k_i = 4$, chế độ làm việc $I_{lv} = 25% I_{đmv}$. Điện áp ngược cực đại đặt lên van: $U_{ngmax} = \sqrt{2} U_2$. Tổng tổn hao công suất tính toán trên van là $\Delta P \approx 2,89\text{W}$. Từ nhiệt độ làm việc tối đa của tiếp giáp bán dẫn ($T_{lv} = 125^\circ\text{C}$) và nhiệt độ môi trường ($T_{mt} = 40^\circ\text{C}$), diện tích cánh tản nhiệt nhôm được tính toán nhằm đảm bảo van không bị phá hủy nhiệt.
  • Tính chọn cuộn kháng lọc ($L_D$): Mắc nối tiếp mạch phần ứng động cơ ($R_ư = 11,\Omega$, $U_{đm} = 220\text{V}$, $I_{đm} = 1\text{A}$, tần số $f = 50\text{Hz}$) với số lần đập mạch $m_{đm} = 2$, hệ số đập mạch vào $k_{đmv} = 0,667$ và hệ số đập mạch ra $k_{đmr} = 0,07$ nhằm duy trì dòng điện liên tục.
  • Triển khai chế tạo phần cứng: Thiết kế mạch in một lớp (Single-sided PCB), gia công bo mạch, hàn lắp linh kiện và đấu nối khối nguồn, khối điều khiển với khối van động lực trên khung gá thử nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 1 thiết lập các cơ sở toán học và vật lý của đồ án. Tác giả trình bày sơ đồ nguyên lý mạch cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn, biểu diễn các biểu thức tính toán điện áp trung bình trên tải $U_d$, dòng điện trung bình qua van $I_{vtb}$, dòng điện hiệu dụng $I_{vhd}$ và giản đồ dạng sóng điện áp, dòng điện theo thời gian khi có tải cảm $L_d = \infty$.

Nội dung tiếp theo phân tích cấu tạo động cơ điện một chiều (Stator, Rotor, cổ góp, chổi than), thiết lập phương trình cân bằng điện áp phần ứng $U_ư = E_ư + I_ư R_ư$, sức phản điện động $E_ư = K_e \Phi n$ và cơ chế điều chỉnh tốc độ. Chương này cũng trình bày chi tiết sơ đồ chân, bảng thông số kỹ thuật (dòng tiêu thụ $I_S = 4,5 \div 6,5\text{mA}$, điện áp điều khiển $V_{11} = 0,2 \div V_{10}\text{V}$, biên độ răng cưa $V_{10} = (V_S - 2)\text{V}$, độ rộng xung ngắn $30 \div 80\mu\text{s}$) và nguyên lý hoạt động của IC TCA 785 theo phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính.

Chương 2: Thiết kế mạch

Chương 2 giải quyết toàn bộ bài toán kỹ thuật từ sơ đồ khối đến tính toán chi tiết từng phần tử:

  • Khối nguồn: Sử dụng IC 7815 biến đổi nguồn xoay chiều hạ áp thành nguồn ổn áp $15\text{V}$ DC cấp cho TCA 785, tính chọn tụ lọc chính $C_1 = 1000\mu\text{F}/35\text{V}$ dựa trên độ gợn sóng $K = 5%$ và chu kỳ $T = 0,01\text{s}$.
  • Khối mạch điều khiển và cách ly: Thiết kế mạch định thời nạp xả cho TCA 785, sử dụng opto MOC3020 ghép nối quang giữa đầu ra xung chân 14, 15 của TCA 785 với cực điều khiển Gate của Thyristor, bảo đảm an toàn cho mạch vi điện tử.
  • Khối mạch lực: Tính toán dòng điện, điện áp làm việc, tổn hao nhiệt $2,89\text{W}$ của van bán dẫn, lựa chọn kích thước cánh tản nhiệt và thông số cuộn kháng lọc nối tiếp phần ứng để hạn chế biên độ dòng đập mạch.

Chương 3: Chế tạo mạch

Chương 3 trình bày quy trình chế tạo phần cứng thực tế và kết quả đo đạc thực nghiệm. Tác giả giới thiệu sơ đồ nguyên lý toàn mạch, bản vẽ thiết kế mạch in PCB và hình ảnh bo mạch sau khi lắp ráp hoàn thiện linh kiện. Phần trọng tâm của chương là thực nghiệm đo kiểm dạng sóng tín hiệu trên máy hiện sóng:

  • Dạng sóng điện áp lưới xoay chiều 220VAC đầu vào.
  • Tín hiệu xung đồng bộ tại chân số 5 IC TCA 785.
  • Dạng sóng điện áp răng cưa tuyến tính tại chân số 10.
  • Dạng sóng xung kép điều khiển tại chân ra 14 và 15.
  • Dạng sóng điện áp thực tế trên tải ở 6 góc kích mở khác nhau: $\alpha = 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ, 120^\circ, 150^\circ, 180^\circ$.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán và chế tạo: Hoàn thiện mô hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn với đầy đủ các khối chức năng nguồn nuôi, tạo xung TCA 785, cách ly MOC3020 và cầu Thyristor BT151 có cánh tản nhiệt. Bo mạch PCB được bố trí gọn gàng, hoạt động ổn định ở điện áp nguồn vào 220VAC/15VAC.
  • Kết quả đo kiểm thực nghiệm: Các kết quả đo trên máy hiện sóng xác nhận mạch tạo xung và mạch lực hoạt động đúng nguyên lý thiết kế:
Tín hiệu đo kiểm Vị trí đo / Góc mở Đặc điểm dạng sóng ghi nhận
Điện áp đồng bộ Chân 5 IC TCA 785 Tín hiệu nhận biết chính xác điểm chuyển qua mức không của lưới điện.
Điện áp răng cưa Chân 10 IC TCA 785 Dạng sóng răng cưa tuyến tính, biên độ ổn định, không bị méo.
Xung điều khiển ra Chân 14 và 15 Chuỗi xung đôi lệch pha $180^\circ$, độ rộng xung hẹp đạt chuẩn kích mở Thyristor.
Điện áp trên tải $\alpha = 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ$ Điện áp chỉnh lưu liên tục; giá trị điện áp tức thời bám sát dạng sóng xoay chiều từ thời điểm kích mở.
Điện áp trên tải $\alpha = 120^\circ, 150^\circ, 180^\circ$ Góc dẫn của van thu hẹp tương ứng; tại $\alpha = 180^\circ$ điện áp ra trên tải tiến về 0.
  • Đóng góp của đề tài: Tác giả đã kết nối thành công lý thuyết điện tử công suất với việc chế tạo phần cứng thực tế, làm chủ nguyên lý điều khiển thẳng đứng tuyến tính dùng vi mạch chuyên dụng TCA 785 và xác thực sự biến đổi điện áp tải theo góc mở $\alpha$ thông qua hình ảnh đo sóng thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Khi cấp nguồn cho tải mang tính cảm (tải R-L), ở cuối bán kỳ dương dòng điện tải trễ pha duy trì van dẫn sang bán kỳ âm làm xuất hiện phần điện áp âm trên tải, gây suy giảm giá trị điện áp trung bình thu được. Mạch hiện tại là hệ thống điều khiển vòng hở (Open-loop), chưa có khâu phản hồi điện áp hoặc tốc độ động cơ để tự động ổn định tốc độ khi tải biến thiên.
  • Hướng mở rộng được đề xuất:
    • Kết hợp sử dụng thêm Diode mắc song song ngược (Diode không dòng/Free-wheeling diode) hoặc sơ đồ cầu bán điều khiển (kết hợp Thyristor và Diode) để triệt tiêu phần điện áp âm, nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra và tận dụng tối đa dải góc kích từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.
    • Bổ sung mạch vòng kín phản hồi dòng điện và tốc độ (sử dụng cảm biến dòng và encoder/tacho-generator) để hoàn thiện hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều tự động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu thực hành có giá trị tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Cơ điện tử. Cụ thể:

  • Phương pháp tính toán mạch lực và tản nhiệt: Cung cấp quy trình từng bước tính chọn dòng điện, điện áp ngược, tổn hao công suất trên van Thyristor và diện tích cánh tản nhiệt nhôm.
  • Mạch ứng dụng vi mạch TCA 785 và MOC3020: Cung cấp sơ đồ kết nối hoàn chỉnh, thông số điện trở/tụ điện ngoại vi cho khối tạo xung răng cưa và tầng cách ly điều khiển bán dẫn công suất.
  • Tư liệu dạng sóng thực nghiệm: Hình ảnh đo sóng dao động ký thực tế tại các chân IC và trên tải ở các góc mở $\alpha = 30^\circ \div 180^\circ$ là nguồn dữ liệu trực quan phục vụ công tác giảng dạy, học tập và đối chuẩn thí nghiệm môn Điện tử công suất.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi mạch TCA 785 thực hiện những chức năng chính nào trong đồ án?
TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng: nhận biết điểm chuyển tiếp qua không để tạo điện áp đồng bộ với lưới điện, tạo điện áp răng cưa tuyến tính thông qua tụ nạp $C_{10}$, so sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển $V_{11}$ và xuất chuỗi xung kích kép lệch pha nhau $180^\circ$ tại chân 14 và chân 15 để điều khiển các cặp Thyristor.

2. Tại sao đồ án sử dụng Optocoupler MOC3020 giữa TCA 785 và Thyristor BT151?
MOC3020 là linh kiện cách ly quang học có tích hợp Triac nhỏ bên trong. Việc sử dụng MOC3020 giúp cách ly hoàn toàn về mặt điện giữa khối điều khiển điện áp thấp (15VDC) và khối mạch lực điện áp cao (220VAC), ngăn chặn các xung điện áp ngược hoặc sự cố ngắn mạch từ phía mạch lực gây phá hỏng vi mạch điều khiển TCA 785.

3. Hiện tượng điện áp âm trên tải cảm R-L xảy ra như thế nào và tác giả đề xuất giải pháp gì?
Khi cấp cho tải mang tính cảm, ở bán kỳ âm năng lượng tích lũy trong cuộn cảm giải phóng tạo dòng điện duy trì cặp Thyristor tiếp tục dẫn, khiến điện áp tải bị kéo xuống mức âm ($V_0 < 0$) làm giảm giá trị điện áp trung bình $U_d$. Tác giả đề xuất giải pháp mắc kết hợp Diode để triệt tiêu phần điện áp âm và tận dụng triệt để dải góc kích mở từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.

4. Dải góc mở $\alpha$ được khảo sát trong đồ án gồm những giá trị nào?
Đồ án đã tiến hành đo đạc và ghi nhận dạng sóng điện áp thực nghiệm trên tải tại 6 mốc góc mở: $\alpha = 30^\circ$, $\alpha = 60^\circ$, $\alpha = 90^\circ$, $\alpha = 120^\circ$, $\alpha = 150^\circ$ và $\alpha = 180^\circ$.

5. Các thông số đầu vào để tính toán cuộn kháng lọc phần ứng $L_D$ trong đồ án là gì?
Các thông số được sử dụng gồm: điện áp định mức $U_{đm} = 220\text{V}$, dòng điện định mức $I_d = I_{đm} = 1\text{A}$, tần số lưới $f = 50\text{Hz}$, điện trở mạch phần ứng $R_ư = 11,\Omega$, số lần đập mạch của chỉnh lưu cầu $m_{đm} = 2$, hệ số đập mạch vào $k_{đmv} = 0,667$ và hệ số đập mạch ra yêu cầu $k_{đmr} = 0,07$.

Kết luận

Đồ án môn học của nhóm tác giả đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế và chế tạo thực tế mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn ứng dụng IC chuyên dụng TCA 785 và cách ly quang MOC3020. Hệ thống phần cứng hoạt động tin cậy, các kết quả đo đạc trên máy hiện sóng phản ánh chính xác quy luật biến đổi dạng sóng điện áp tải theo các góc mở $\alpha$ từ $30^\circ$ đến $180^\circ$. Đây là công trình thực hành kỹ thuật hoàn chỉnh, minh chứng rõ nét cho việc kết hợp hiệu quả giữa lý thuyết giải tích mạch điện tử công suất và kỹ năng chế tạo phần cứng thực nghiệm.